JP2015124610A - 浮体式風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風車が最適方向を向くように動作し、高い発電効率を得ることができる浮体式風力発電装置を提供する。【解決手段】水面１０上に立設された基体部２と、基体部２に浮力を作用させる浮体３と、基体部２に設けられた風車４と、を備えた風力発電装置１。風車４は、回転軸２４を有する軸部１１と、回転軸２４回りに回転する翼体１２とを備えている。基体部２は係留索６を介して水底７に係留されている。係留索６は、基体部２に、平面視において装置１の重心Ａ３から風車４の回転軸２４方向に離れた位置に一点係留方式で接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、洋上に浮上状態で設置される浮体式の風力発電装置に関する。

一般に、洋上は陸上に比べて風力が強く、騒音・振動や電波障害の問題が生じにくいため、風力発電装置を洋上に設置することが提案されている。
風力発電装置としては、経済性等の観点から、海底に設置される着床式ではなく、海面上に浮かべた状態で設置される浮体式が検討されており、実証実験も行われている。
浮体式の風力発電装置としては、例えば海面上に立設された基体部と、基体部に浮力を作用させる浮体と、基体部に取り付けられた風車とを有する装置がある（特許文献１を参照）。
基体部は、支柱と、支柱に対し回動可能なナセル部とを有し、前記風車はナセル部に取り付けられる。風車は、風の方向に応じてナセル部が回動することで、風力を効率よく受けられる方向に向く。
浮体式の風力発電装置は、通常、基体部の複数箇所に接続された係留索を介して海底のアンカーに安定に接続される。複数箇所で係留する方式を多点係留方式という。

特開２００２−２８５９５１号公報

前記風力発電装置では、基体部は、支柱と、支柱に対し回動可能なナセル部とからなるが、小型または中型の風力発電装置を想定した場合、基体部には簡略な構造が望まれる。
基体部に回動機構がない簡略構造を採用した場合、風の方向に応じて風車が向きを変えるには、装置全体が基体部の軸回りに変位可能であることが必要になる。このため、基体部は一箇所のみで係留される。この係留方式を一点係留方式という。この方式で係留された基体部は、一箇所のみで係留されるため軸回りに変位可能である。

この構造の風力発電装置では、風車が、風力を効率よく受けられる方向に向くことが好ましいが、風の方向によっては、風車が非効率な向きとなることがあった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、風車が確実に最適方向を向くように動作し、高い発電効率を得ることができる浮体式風力発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、水面上に浮かんだ状態で設置される浮体式風力発電装置であって、少なくとも一部が前記水面上に立設された基体部と、前記基体部に浮力を作用させる浮体と、前記基体部に設けられた風車と、を備え、前記風車は、回転軸を有する軸部と、前記軸部から延出し、前記回転軸回りに回転する翼体とを備え、前記基体部は、係留索を介して水底に係留され、前記係留索は、前記基体部に、平面視において前記装置の重心から前記風車の回転軸方向に離れた位置に一点係留方式で接続されている浮体式風力発電装置を提供する。
本発明の浮体式風力発電装置は、前記基体部に、前記基体部から外方に延出する延出部が設けられ、前記係留索は、前記延出部を介して前記基体部に接続され、前記延出部に対する係留索の接続位置は、平面視において前記装置の重心から前記風車の回転軸方向に離れた位置であることが好ましい。
前記延出部は、前記基体部の下端より高い位置で前記基体部に取り付けられていることが好ましい。
本発明の浮体式風力発電装置は、前記風車が、前記回転軸方向の前方を風の方向と同じ向きにした姿勢を基本姿勢とするダウンウィンド式であり、前記係留索が前記基体部に接続される位置は、平面視において前記装置の重心から前記風車の回転軸方向の後方に離れた位置であってよい。
本発明の浮体式風力発電装置は、前記風車が、前記回転軸方向の前方を風の方向と反対の向きにした姿勢を基本姿勢とするアップウィンド式であり、前記係留索が前記基体部に接続される位置は、平面視において前記装置の重心から前記風車の回転軸方向の前方に離れた位置であってよい。
前記基体部は、少なくとも一部が前記水面上に立設された支柱と、前記支柱に設けられて前記風車を支持する支持部とを有し、前記支持部は、前記支柱に一体に形成されているか、または前記支柱に固定された構造であることが好ましい。

本発明の浮体式風力発電装置では、係留索が、平面視において装置の重心から風車の回転軸方向に離れた位置に一点係留方式で接続されているため、風により風車が受ける力と、係留索による引張力とによって、風車は回転軸方向前方が風と同じ方向（または反対方向）を向く姿勢となる。
従って、風車は風の力を効率よく受けて回転し、高い発電効率が得られる。

（ａ）本発明の風力発電装置の第１実施形態を模式的に示す斜視図である。（ｂ）（ａ）に示す風力発電装置の一部を模式的に示す平面図である。 （ａ）本発明の風力発電装置の第２実施形態を模式的に示す斜視図である。（ｂ）（ａ）に示す風力発電装置の一部を模式的に示す平面図である。 （ａ）本発明の風力発電装置の第３実施形態を模式的に示す斜視図である。（ｂ）（ａ）に示す風力発電装置の一部を模式的に示す平面図である。 （ａ）本発明の風力発電装置の第４実施形態を模式的に示す斜視図である。（ｂ）（ａ）に示す風力発電装置の一部を模式的に示す平面図である。 （ａ）本発明の風力発電装置の第５実施形態を模式的に示す斜視図である。（ｂ）（ａ）に示す風力発電装置の一部を模式的に示す平面図である。

図１は、本発明の浮体式風力発電装置（以下、単に風力発電装置という）の第１実施形態である風力発電装置１を示すもので、図１（ａ）は風力発電装置１を模式的に示す斜視図であり、図１（ｂ）は風力発電装置１の一部を模式的に示す平面図である。
この風力発電装置１は、基体部２と、基体部２に浮力を作用させる浮体３と、基体部２の上端部に取り付けられた風車４と、基体部２の下端部から延出する延出部５と、を備えている。
風力発電装置１は、海面１０上に浮かんだ状態で設置される、いわゆる浮体式の風力発電装置である。

図１（ａ）に示すように、基体部２は、風車４を支持するものであって、円柱状の支柱８と、支柱８の上端に設けられて風車４を支持する支持部９とを有する。
図示例の支柱８は、上部が海面１０（水面）上に立設され、下部が海面１０下に延出している。なお、支柱８は、全体が海面１０上に立設されていてもよい。

図１（ｂ）に示すように、平面視において、支柱８の中心軸Ａ３の位置は装置１の重心位置と一致することが好ましい。すなわち、中心軸Ａ３は装置１の重心線と一致することが好ましい。なお、重心線とは重心を通る鉛直線である。
この図において、中心軸Ａ３は海面１０に対し垂直である。なお、平面視とは、支柱８の中心軸Ａ３方向から見ることをいう。
図１（ａ）に示すように、基体部２は、延出部５を介して、係留索６によって海底７に係留されている。

基体部２には、支持部９が支柱８に対し回動する機構がないことが好ましい。基体部２は、例えば、支持部９が支柱８に一体に形成された構造、または、支持部９が支柱８と別体であって支柱８に固定された構造としてよい。これによって構造を簡略化し、低コスト化を図ることができる。

図１（ａ）に示すように、浮体３は、基体部２を海面１０上に設置するための浮力を得るためのものであって、例えば中空構造を採用できる。浮体３には、補強のため、比重が水より小さい樹脂材料（例えば発泡樹脂）を充てんしてもよい。また、補強のためのリブ構造を内部に設けてもよい。
浮体３は、その一部が海面１０上に出る程度の浮力を有するもの（浮上型）（図１（ａ）参照）であってもよいし、全体が海面１０下に没する程度の浮力を有するもの（潜水型）（図２参照）であってもよい。
浮上型は、安定した高い浮力が得られ、基体部２が傾きにくくなるという利点がある。潜水型は、海面１０上に出ないため、波浪による動揺を抑制できるという利点がある。

図示例の浮体３は、中心軸が支柱８の中心軸Ａ３に沿う円筒状に形成され、支柱８の長さ方向の中間位置に、支柱８に一体化して形成されている。図１（ａ）に示す浮体３は浮上型である。
なお、浮体３は、基体部２に浮力を作用させることができればよく、その構造は図示例に限定されない。浮体３の形状は直方体、球体などとしてもよい。また、浮体３は基体部２と別体としてもよい。

風車４は、例えばプロペラ型風車であって、回転軸２４を有する軸部１１と、軸部１１(詳しくは回転軸２４)から、軸部１１の径方向の外方に放射状に延出する複数の翼体１２とを備えている。
風車４は、翼体１２が風２２を受けて、回転軸２４とともに回転軸２４回りに回転することにより、支持部９に内蔵された発電機２０を駆動する。
風車４の軸部１１の回転軸方向の前方（回転軸２４が支持部９から延出する方向）をＡ１といい、後方（Ａ１の反対方向）をＡ２という。この例では、Ａ１、Ａ２は中心軸Ａ３に対して垂直である。

図示例の風車４には、ダウンウィンド式を採用している。ダウンウィンド式は、軸方向前方Ａ１が風２２と同じ方向（風下方向）を向く姿勢が、風力を受ける際の風車４の基本姿勢となる。ダウンウィンド式は、風向きや風力の変動に対応しやすいという利点がある。また、風が強い場合でも翼体１２が支柱８と干渉しにくいことも利点として挙げられる。
また、風車４はプロペラ型に限らず、サボニウス型などを用いてもよい。

延出部５は、支柱８の下端８ａ（基体部２の下端）から外方（支柱８から離れる方向）に延出して形成されている。延出部５の延出方向は風車４の軸方向後方Ａ２である。符号５ｂは支柱８の下端８ａに取り付けられた延出部５の基端であり、符号５ａは延出端である。延出部５の延出方向は、支柱８の径方向に一致していることが好ましい。

延出部５の延出端５ａには、係留索６の一端部６ａが接続される係留部１４が設けられている。このため、係留索６は延出部５を介して基体部２に接続されることになる。この例では、係留部１４は海面１０下に位置する。
延出部５の延出方向は軸方向後方Ａ２であるため、係留部１４は、平面視において支柱８の中心軸Ａ３（装置１の重心線）から軸方向後方Ａ２に離れた位置にある（図１（ｂ）参照）。
なお、図示例では延出部５は軸方向後方Ａ２に延出しているが、係留部１４が中心軸Ａ３から軸方向後方Ａ２に離れた位置にあれば、延出部５の延出方向は、軸方向後方Ａ２に対し交差する方向であってもよい。

係留部１４には、係留索６との接続構造としてユニバーサルジョイントを使用するのが好ましい。ユニバーサルジョイントとしては、例えばＪＩＳ Ｂ１４５４に挙げられたものがある。
ユニバーサルジョイントの使用により、風力発電装置１が風２２の力を受けて姿勢（支柱８の軸回り方向の姿勢）を変える場合においても、係留索６の絡まりを回避できる。

係留索６の他端部６ｂは、海底７（水底）に設置されたアンカー１３（係留点）に接続されている。
基体部２は、１箇所（係留部１４）のみで（すなわち一点係留方式で）係留索６によって海底７に係留されている。
一点係留方式は、１箇所（係留部１４）のみで係留される方式であるため、図１（ａ）に仮想線で示すように、１箇所（係留部１４）に対し、複数の係留索６が接続されている場合も一点係留方式に含まれる。この場合の係留索６の本数は、例えば２〜４である。
また、１箇所（係留部１４）に対し、１本の係留索６が接続され、この係留索６が長さ方向中間位置で分岐し、分岐した複数の係留索がそれぞれ異なるアンカー１３に接続されている場合も一点係留方式に含まれる。

次に、風力発電装置１の動作について説明する。
風力発電装置１は、一点係留方式で係留されているため、所定の領域内で海面１０上を移動可能である。
風力発電装置１は、風２２を受けると、係留索６が係留部１４に加える引張力Ｓ１が、風２２によって風車４が受ける力Ｓ２と等しくなるまで海面１０上で風下側に移動する。

この際、風力発電装置１には、風車４が風２２の方向に応じた方向に向くような回転方向（支柱８の軸回り方向）の力が作用する。
具体的には、係留索６による引張力Ｓ１と、風車４が受ける力Ｓ２によって、中心軸Ａ３（装置１の重心線）を中心とする回転モーメントが装置１に作用する。前記回転モーメントによって、風力発電装置１は、風車４が風下側に位置し、係留部１４が風上側に位置するような姿勢をとる。
このため、風車４は、軸方向前方Ａ１が風２２と同じ方向を向く姿勢となる。この状態では、係留索６による引張力Ｓ１の方向は、風車４が受ける力Ｓ２の方向と反対の方向となる。
従って、風車４は、風２２の力を効率よく受けて回転し、発電機２０において高い発電効率を安定して得ることができる。

風力発電装置１が、風２２の力を受けて姿勢（支柱８の軸回り方向の姿勢）を変える過程で、力Ｓ１、Ｓ２によって生じる回転モーメントは、力Ｓ１と力Ｓ２との作用線の離間距離に応じた大きさとなる。
風力発電装置１では、係留部１４は延出部５の延出端５ａに設けられているため、力Ｓ１と力Ｓ２との作用線の離間距離が大きくなりやすいことから、前記回転モーメントを大きくできる。
従って、風力発電装置１の軸回り方向の変位を促して風車４の姿勢を最適化し、発電機２０における発電を高効率化することができる。

風力発電装置１は、支持部９が支柱８に対し回動する機構がないため、構造が簡略であり、低コスト化および軽量化を図ることができる。このため、小型または中型の風力発電装置に好適に適用できる。
風力発電装置１の適用先としては、消費電力が比較的低い施設、例えば養殖場などが挙げられる。

風力発電装置１の風車４はダウンウィンド式であるが、軸方向前方Ａ１が風２２と反対の方向（風上方向）を向く姿勢となった場合でも、風２２の力を受けて回転し、発電機２０を駆動させることができる（図５参照）。

図２は、本発明の風力発電装置の第２実施形態を示すものである。以下、図１に示す第１実施形態の風力発電装置１と共通の構成については同じ符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
図２（ａ）に示す第２の実施形態の風力発電装置２１は、延出部５に代えて延出部１５を有する点で、図１の風力発電装置１と異なる。
延出部１５の基端１５ｂは支柱８の上部に取り付けられている。基端１５ｂの取付け位置は、支柱８の下端８ａ（基体部２の下端）より高い位置（上端寄りの位置）である。基端１５ｂの位置は、海面１０より高い位置であってよい。

延出部１５は、支柱８から径方向に離れるにしたがって下降する方向に傾斜して形成され、延出端１５ａには係留部１４が設けられている。係留部１４は、海面１０下に位置する。
図２（ｂ）に示すように、平面視における延出部１５の延出方向は、図１の延出部５と同様に、軸方向後方Ａ２である。このため、係留部１４は、平面視において支柱８の中心軸Ａ３（装置１の重心線）から軸方向後方Ａ２に離れた位置にある。

図２（ａ）に示すように、延出部１５は、基端１５ｂを支点として支柱８に対し傾動可能とされていてもよい。基端１５ｂは、支柱８にヒンジ結合された構造としてよい。
この場合、延出部１５は、弾性的に伸縮可能なバネ（コイルスプリングなど）等の付勢体である連結体１７を介して支柱８に連結することが好ましい。図示例の連結体１７は、一端が、延出部１５の長さ方向の中間位置（先端１５ａと基端１５ｂとの間の位置）に接続され、他端が支柱８の長さ方向の中間位置に接続されている。

延出部１５は、支柱８に対し、基端１５ｂを支点として傾動し、支柱８に対する傾斜角度を調整できる。
このため、風２２の強さに応じて、支柱８の傾き（鉛直方向に対する傾き）を小さくするように、支柱８に対する延出部１５の傾斜角度を調整することができる。
例えば、風２２が強い場合には、風車４が受ける力Ｓ２が大きくなるため支柱８が傾きやすくなるが、延出部１５の傾斜角度の調整により、引張力Ｓ１を支柱８上部に効率よく作用させ、支柱８の傾きを小さく保つのが容易となる。
風２２が弱い場合には、延出部１５の傾斜角度を小さくすることで、係留索６により引張力Ｓ１が作用する位置を支柱８に近づけることができるため、基体部２の安定性を高めることができる。

また、弾性的に伸縮可能な連結体１７によって延出部１５を支柱８に連結する構造によれば、係留索６による引張力Ｓ１が急に増大した場合でも、延出部１５および支柱８に加えられる衝撃を連結体１７の伸縮変形によって緩和し、破損を回避できる。

風力発電装置２１では、延出部１５が、平面視において軸方向後方Ａ２に延出しているため、風車４は、軸方向前方Ａ１が風２２と同じ方向を向く姿勢となる。
このため、図１に示す風力発電装置１と同様に、風車４は、風２２の力を効率よく受けて回転し、発電機２０における発電を高効率化することができる。

風力発電装置２１では、係留索６が係留部１４に加える引張力Ｓ１が、係留部１４を介して支柱８の上部に作用するため、引張力Ｓ１が支柱８の下部に作用する場合に比べて、風２２による支柱８の傾斜を抑制しやすくなる。
このため、最適な風車４の向きを維持し、さらなる発電の効率化を図ることができる。

図３は、本発明の風力発電装置の第３実施形態を示すものである。
図３（ａ）に示す風力発電装置３１は、は、延出部５に代えて延出部１８を有する点で、図１の風力発電装置１と異なる。
延出部１８は、支柱８の下端から軸方向後方Ａ２に延出する下延在部１８ａと、下延在部１８ａの延出端１８ｂから支柱８に沿って上方に延出する側延在部１８ｃと、側延在部１８ｃの延出端１８ｄから軸方向前方Ａ１に延出して支柱８に達する上延在部１８ｅとを有する枠状に形成されている。
図３（ｂ）に示すように、平面視における延出部１８の延出方向は軸方向後方Ａ２であるため、係留部１４は、平面視において支柱８の中心軸Ａ３（装置１の重心線）から軸方向後方Ａ２に離れた位置にある。

図３（ａ）に示すように、風力発電装置３１では、図１に示す風力発電装置１と同様に、風車４の軸方向前方Ａ１が風２２と同じ方向を向くため、風車４は風２２の力を効率よく受け、発電機２０における発電を高効率化することができる。
風力発電装置３１では、延出部１８の上延在部１８ｅが支柱８の下端より高い位置に取り付けられるため、図２の風力発電装置２１と同様に、係留索６が係留部１４に加える引張力Ｓ１が、支柱８の下端より高い位置に作用することから、風２２による支柱８の傾斜を抑制できる。
このため、最適な風車４の向きを維持し、さらなる発電の効率化を図ることができる。

風力発電装置３１では、延出部１８（側延在部１８ｃ）に対する係留索６の接続位置を任意に設定することもでき、風２２の強さや方向に応じて係留位置を調整できる。

図４は、本発明の風力発電装置の第４実施形態を示すものである。
図４（ａ）に示す風力発電装置４１は、延出部５を備えておらず、係留索６は、支柱８の外面に設けられた係留部１４に接続されている点で、図１の風力発電装置１と異なる。
図４（ｂ）に示すように、係留部１４は、支柱８の中心軸Ａ３（装置１の重心線）から軸方向後方Ａ２に離れた位置に設置される。
図４（ａ）に示すように、この風力発電装置４１においても、風車４の軸方向前方Ａ１が風２２と同じ方向を向くため、風車４は、風２２の力を効率よく受けて回転し、発電機２０における発電を高効率化することができる。
風力発電装置４１では、延出部がないため構造が簡略となるという利点がある。

図５は、本発明の風力発電装置の第５実施形態を示すものである。
図５（ａ）に示す風力発電装置５１は、風車４がアップウィンド式である点、および、延出部５に代えて延出部２３が設けられている点で、図１の風力発電装置１と異なる。
風車４は、アップウィンド式であるため、軸方向前方Ａ１が風２２と反対の方向（風上方向）を向く姿勢が風車４の基本姿勢となる。

延出部２３は、支柱８の下端８ａから軸方向前方Ａ１に延出して形成されている。図５（ｂ）に示すように、係留部１４は、延出部２３の延出端２３ａに設けられるため、係留部１４の位置は、支柱８の中心軸Ａ３から軸方向前方Ａ１に離れた位置となる。

この風力発電装置５１では、風２２による力が加えられると、係留索６による引張力Ｓ１と、風車４が受ける力Ｓ２とによって生じる回転方向の力により、風車４の軸方向前方Ａ１が風２２と反対の方向を向く。
従って、風車４は、風２２の力を効率よく受けて回転し、発電機２０における発電を高効率化することができる。

１、２１、３１、４１、５１・・・風力発電装置（浮体式風力発電装置）、２・・・基体部、３・・・浮体、４・・・風車、５、１５、１８、２３・・・延出部、６・・・係留索、７・・・海底（水底）、８・・・支柱、８ａ・・・支柱の下端（基体部の下端）、９・・・支持部、１０・・・海面（水面）、１１・・・軸部、１２・・・翼体、１３・・・アンカー、１４・・・係留部、２４・・・回転軸、Ａ１・・・軸方向前方（回転軸方向の前方）、Ａ２・・・軸方向後方（回転軸方向の後方）、Ａ３・・・支柱の中心軸（基体部の重心、風力発電装置の重心）

Claims (6)

1. 水面上に浮かんだ状態で設置される浮体式風力発電装置であって、
   少なくとも一部が前記水面上に立設された基体部と、前記基体部に浮力を作用させる浮体と、前記基体部に設けられた風車と、を備え、
   前記風車は、回転軸を有する軸部と、前記軸部から延出し、前記回転軸回りに回転する翼体とを備え、
   前記基体部は、係留索を介して水底に係留され、
   前記係留索は、前記基体部に、平面視において前記装置の重心から前記風車の回転軸方向に離れた位置に一点係留方式で接続されていることを特徴とする浮体式風力発電装置。
2. 前記基体部に、前記基体部から外方に延出する延出部が設けられ、
   前記係留索は、前記延出部を介して前記基体部に接続され、
   前記延出部に対する係留索の接続位置は、平面視において前記装置の重心から前記風車の回転軸方向に離れた位置であることを特徴とする請求項１に記載の浮体式風力発電装置。
3. 前記延出部は、前記基体部の下端より高い位置で前記基体部に取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載の浮体式風力発電装置。
4. 前記風車は、前記回転軸方向の前方を風の方向と同じ向きにした姿勢を基本姿勢とするダウンウィンド式であり、
   前記係留索が前記基体部に接続される位置は、平面視において前記装置の重心から前記風車の回転軸方向の後方に離れた位置であることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の浮体式風力発電装置。
5. 前記風車は、前記回転軸方向の前方を風の方向と反対の向きにした姿勢を基本姿勢とするアップウィンド式であり、
   前記係留索が前記基体部に接続される位置は、平面視において前記装置の重心から前記風車の回転軸方向の前方に離れた位置であることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の浮体式風力発電装置。
6. 前記基体部は、少なくとも一部が前記水面上に立設された支柱と、前記支柱に設けられて前記風車を支持する支持部とを有し、
   前記支持部は、前記支柱に一体に形成されているか、または前記支柱に固定された構造であることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の浮体式風力発電装置。

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